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本书所述经典封装技术主要指引线框架封装技术和球栅阵列封装技术。
常见的引线框架封装技术包括DIP、SOP、QFP等技术。
1.双列直插式封装
双列直插式封装（DIP）可以说是最早的封装结构形式，外形为长方形，在其两侧有平行分布的引脚，可直接插入PCB，以实现电气连接和机械固定的作用。常见的引脚数有6、8、14、16个，甚至64个。由于引脚的直径较粗、节距较大，电路板上的通孔直径、节距和布线宽度都受到一定的影响。因此，这种封装形式难以保证很高的集成度。标准的引线之间的距离为2.54mm（100mil），两排导线之间的距离为7.5～15mm（295～600mil）。
DIP结构具有以下特点：①适合PCB的穿孔安装；②比TO封装更易于对PCB布线；③操作方便；④体积较大。
DIP结构形式有：多层陶瓷DIP、单层陶瓷DIP和引线框架式DIP（含玻璃陶瓷封装式、塑料包封结构式和陶瓷低熔玻璃封装式）。
在塑料DIP中，硅片通过合金化、焊接或黏结的方法连接到金属引线框架上，由于引线框架的热膨胀系数较小，所以与晶片的热失配较低。Cu引线框架的散热性较高，它与晶片之间通过Au丝或Al丝键合焊的方式连接。
陶瓷DIP也有较多的类型，且都有一个容纳晶片的空腔。陶瓷DIP是最简单的一种陶瓷封装形式，它有两个陶瓷外壳，两者之间有玻璃封套。更高级的3层陶瓷封装采用多层陶瓷技术，各层之间有金属化层。通常，此类封装有一个金属盖，在抽出元器件内的空气并注入惰性气体后，再将金属盖焊接到陶瓷上。
衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是封装效率，即芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40个I/O引脚塑料DIP的CPU为例，其芯片面积：封装面积=3×3：（15.24×50）≈1：85，离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远大于芯片尺寸，说明封装效率很低，占用很多有效安装面积。Intel公司早期制造的CPU（如8086、80286）都采用了DIP。
2.小外形封装
8～28个I/O引脚的小外形封装（SOP）是常用的SMD封装形式，如图3-1所示。它与较小的DIP元器件很相似，引脚之间的距离为1.25mm（49mil），并且被弯成翼形。继SOP之后，又出现了40～56个引脚的VSOP，两者的引脚间距分别为0.2mm和0.75mm。但实际上VSOP并未得到广泛运用。
图3-1 SOP的外观
J形引线SOP与翼形SOP相似，不同的是前者的引脚被弯成J形，然后伸入封装体下面，这种封装多用于存储器电路。
3.方形扁平式封装
方形扁平式封装（QFP）是由SOP发展而来的，其外形呈扁平状，翼形引脚一端由封装的4个侧面引出，另一端沿着四边布置在同一平面上，如图3-2（a）所示。由QFP派生出的封装还有PLCC［见图3-2（b）］、载带封装（TCP）以及PQFP等封装形式。
图3-2 QFP和PLCC的外观
QFP在电路板上不是靠引脚插入到印制电路板的通孔中，而是采用表面贴装技术进行组装，是目前常用的一种SMD形式。但是，由于QFP的引脚端子为四边布置，且伸出封装体之外，若引线的节距过窄、引脚过细，则端子会变得非常柔软，在组装过程中容易变形。当端子数超过100个且节距小到0.3mm时，对组装精度要求甚高。采用J形引脚端子的PLCC等可以部分缓解一些矛盾，但不能从根本上解决QFP的上述问题。扁平封装有多种尺寸和引脚间距，多达300个输出端的塑料和陶瓷扁平封装已经出现。
QFP的封装尺寸相比于DIP的封装尺寸更小。以0.5mm焊区中心距，208个I/O引脚的QFP的CPU为例，外形尺寸为28mm×28mm，芯片尺寸为10mm×10mm，则芯片面积：封装面积=（10×10）：（28×28）≈1：7.8。
QFP的特点是：适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线；封装外形尺寸小，寄生参数小，适合高频应用；操作方便；可靠性高。Intel公司的CPU（如Intel 80386）就是采用塑料四边引出扁平封装PQFP的。
随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，单晶硅芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。因此，为满足需求，出现了球栅阵列（BGA）封装。
BGA一出现便成为CPU等VLSI芯片实现高密度、高性能、多功能及多I/O引脚数封装的最佳选择。其特点有：I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率；BGA内部采用倒装芯片，从而极大地改善了电热性能；BGA的厚度比QFP减少1/2以上，质量减轻3/4以上；寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。
BGA可分为PBGA、CBGA、陶瓷柱栅阵列（Ceramic Column Grid Array，CCGA）和TBGA 4种主要形式。
BGA仍与针栅阵列（Pin Grid Array，PGA）、QFP一样，占用基板面积过大。Intel公司对这种集成度高（单芯片里达300万只以上的晶体管）、功耗大的CPU芯片（如Pentium Ⅱ）采用CBGA封装，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而使芯片电路能够稳定工作。
1.塑料球栅阵列封装
塑料球栅阵列（PBGA）封装又称整体模塑阵列载体，是常用的BGA封装形式，其结构如图3-3所示。PBGA载体即基板，所采用的材料是印制电路板上所用的材料，如FR-4。管芯通过引线键合技术连接到基板的顶部表面上，再进行整体塑模处理。采用阵列形式的低共熔点合金（63Sn-37Pb）焊料被放置在基板的底部位置上。这种阵列可以采用全部配置形式，也可以采用局部配置形式，焊球的尺寸大约为1mm，节距范围为1.27～2.54mm。
组件可以通过使用标准的表面组装工艺进行装配，低共熔点合金焊料可以通过模板印刷到基板的焊盘上面，组件上的焊球被安置在焊膏上后进入再流焊阶段。由于基板上面的焊料和封装体上面的焊球都是低共熔点焊料，基于再流焊工艺连接元器件时，所有这些焊料均发生熔融现象。在表面张力的作用下，元器件和电路板之间的焊接点重新凝固形成焊点，呈现出腰鼓状。
图3-3 PBGA封装的结构
PBGA封装元器件所具有的主要优点如下。
（1）可以利用现有的装配技术与廉价的材料，确保整个封装元器件具有较低廉的价格。
（2）相比QFP元器件，很少会产生机械损伤现象。
（3）装配到印制电路板上可以具有非常高的质量。
PBGA技术所面临的挑战是保持封装器件所有焊球的共面度，同时将潮湿气体的吸收降到最低，防止“爆玉米花”现象的产生，解决涉及较大管芯尺寸的可靠性问题。
2.陶瓷球栅阵列封装
陶瓷球栅阵列（CBGA）封装的结构如图3-4所示。CBGA封装是将管芯连接到陶瓷多层载体的顶部表面所组成的。在连接好之后，管芯经过气密性处理以提高其可靠性和物理保护。在陶瓷载体的底部表面上，安置10Sn-90Pb焊球，底部阵列可采用全部填满或局部填满形式，焊球尺寸为1mm、节距为1.27mm。
图3-4 CBGA封装的结构
CBGA封装元器件使用标准的表面贴装组装和再流焊工艺进行装配。CBGA中的再流焊工艺不同于PBGA中的再流焊工艺。PBGA中的低共熔点合金焊料（63Sn-37Pb）约在183℃时发生熔化，CBGA焊球（10Sn-90Pb）熔点温度约在300℃，而一般标准的表面组装再流焊峰值温度为220℃左右，仅能够熔化焊膏，焊球在再流焊过程中不发生熔融。为能够形成良好的焊接点，相比PBGA封装元器件，CBGA封装元器件在模板印刷期间必须有更多的焊膏施加到电路板上面。在再流焊期间，焊料填充在焊球的周围，焊球所起到的作用像一个刚性的支座。在两个不同的Sn-Pb焊料结构之间形成互联，在焊膏和焊球之间的界面实际上不复存在，形成的扩散区域具有10Sn-90Pb与63Sn-37Pb的光滑梯度。
相比PBGA封装元器件，CBGA封装元器件不存在电路板和陶瓷封装之间热膨胀系数不匹配的问题，因而呈现更好的热疲劳可靠性。CBGA封装元器件能够在高达32mm 2 的区域内接受业界标准的热循环测试的考核。当焊球节距为1.27mm时，I/O引脚数限定值为625个。当陶瓷封装尺寸大于23mm 2 时，应该考虑其他可以替换的方式。CBGA封装元器件具有如下优点。
（1）拥有优异的热性能和电性能。
（2）相比QFP元器件，很少会受到机械损坏的影响。
（3）当装配到具有大量（250个以上）I/O引脚应用的印制电路板上时，具有非常高的封装效率。
另外，CBGA封装可以利用管芯连接到倒装芯片上，与引线键合技术相比可形成更高密度的互联配置。通过高密度的管芯互联配置，管芯尺寸被缩小，可在每个晶圆上拥有更多的管芯并降低成本。
3.陶瓷柱栅阵列封装
陶瓷柱栅阵列（CCGA）封装在CBGA封装的基础上，进一步扩大了封装尺寸、增加了I/O引脚数，是目前为数不多的能够批量生产的I/O引脚数超过1000个的一种封装类型。CCGA由基板、芯片、导热性黏结剂和焊柱等组成，如图3-5所示。
图3-5 CCGA封装的结构及组装示意图
基板的主要材料是多层氧化铝（Al 2 O 3 ）陶瓷，这种材料适应高温和化学处理，因此在器件封装和板级装配时都没有工艺限制。信号层、电源层和地层分别设置在单独的层上，经过打孔和丝印形成高温印制线与连接孔，叠加后在高温下烧结成型。该基板的层数一般为7～40层，厚度为1.40～5.75mm。氧化铝陶瓷的热膨胀系数为6.5×10 -6 ℃，硅芯片的热膨胀系数为3.0×10 -6 ～4.1×10 -6 ℃，两者较为接近。因此，芯片可以采用倒装的形式安装在基板上，这种形式缩短了信号通路，降低了寄生效应，使信号速度和品质均得到提高。更重要的是，芯片正下方可以连接焊柱，实现了全阵列和引脚数量的提高，提升了电性能。
环氧填充胶主要用于芯片底部填充，以进一步提高芯片连接的可靠性，导热脂主要用于将芯片耗散热量传递到金属顶盖上。
焊柱直径约为0.5mm，高度为1.27mm或2.2mm。根据材料不同，焊柱有两种形式，如图3-6所示。图3-6（a）中的焊柱材料是10Sn-90Pb（IBM公司专利），图3-6（b）中的焊柱材料是20Sn-80Pb，并在焊柱外螺旋包裹了一层Cu箔（Six-Sigma公司专利）。
图3-6 焊柱的两种形式
焊柱与基板有3种连接方式，分别为铸型柱、焊线柱和焊柱，均由IBM公司设计开发，如图3-7所示。焊线柱于1991年研发成功，它采用63Sn-37Pb共晶焊料将10Sn-90Pb高温焊柱焊接在基板上，10Sn-90Pb高温焊柱（固态275℃，液态302℃）在PCB上装配后基本保持原来的高度。在元器件生产的工艺流程中，焊线柱通常置于最后的工序，这有利于降低焊线柱在其他制作过程中可能造成的损伤，也适用于封装的自动化生产。但是在元器件返修时，焊线柱两端的共晶焊料会熔融，绝大部分焊线柱会留在PCB上，给返修造成困难，如图3-8所示。
图3-7 焊柱与基板连接的3种方式
图3-8 焊线柱返修时PCB上的形貌
为了解决这一问题，IBM于1993年研发了铸型柱，它采用与焊柱相同的高温焊料将焊柱连接在基板上，这种结构使得元器件返修后焊柱仍能保留在基板上。但在高温情况下，基板必须在焊接芯片的同时，与铸型柱进行焊接，然后进行环氧胶填充和顶盖安装。这不利于自动化生产，且在芯片最终测试阶段当遇问题需要返修时，铸型柱较难清除。
焊柱包含了上述两种连接方式的优点，它采用焊线柱的结构和工艺流程，只是使用掺杂少量Pd元素的共晶焊料替代原来的共晶焊料。这种焊料在183℃时发生熔化，但形成Pd-Sn IMC后，熔点会变为280℃。因此，元器件生产时相当于使用标准共晶焊料，板级装配返修时相当于使用高温焊料，问题巧妙地得到了解决。
CCGA有两种封装标准：MO-158和MO-159。常用的CCGA外形尺寸、阵列和I/O引脚数量如表3-1所示。CCGA封装运输的理想状态是焊柱处于悬空状态，1.27mm间距元器件封装盒一般采用阵列孔设计，1mm间距元器件则采用敞开结构，避免阵列孔的误差引起干涉的问题。因此，1mm间距元器件的角部要各去掉6个焊柱并将阵列数减少1列，这些地方可成为封装盒设计的一部分。
表3-1 常用的CCGA外形尺寸、阵列尺寸和I/O引脚数量
4.载带球栅阵列封装
载带球栅阵列（TBGA）封装是载带自动键合的延伸，利用载带自动键合实现芯片的连接，其结构如图3-9所示。
图3-9 TBGA封装的结构
TBGA是由连接至Cu/PI柔性电路或具有两层由管芯连接至BGA的Cu线组成的。引线键合、再流焊或热压/热声波内部引线连接等方法可以用来连接管芯与Cu线。键合互联后，对于管芯采用密封处理以提供有效的保护，焊球通过类似于引线键合的微焊工艺处理被逐一连接到Cu线的另一端。
焊球采用10Sn-90Pb制造，直径为0.9mm，一般用1.27mm节距的阵列配置形式。因为没有焊球可以连接到安置着管芯的组件中心位置，所以这种阵列配置总是采用局部配置的形式。装配好焊球和管芯之后，在载带的顶部表面上安装一个镀锡的Cu加固板，通过它提供刚性效果，并确保组件的可平面化。TBGA元器件也可以通过CBGA组件的标准表面贴装工艺来进行装配。
TBGA封装具有如下优点。
（1）比绝大多数（特别是具有大量I/O引脚）的BGA封装轻并且小。
（2）比QFP元器件和绝大多数其他BGA封装的电性能好。
（3）装配到印制电路板上，具有较高的封装效率。
相比经典的QFP技术，BGA封装具有以下特点。
（1）在工艺适应性方面：相比窄节距QFP，BGA焊点失效率降低两个数量级，无须对工艺做较大的改动；BGA适合MCM封装，有利于实现MCM封装的高密度和高性能封装。
（2）在工艺良品率方面：BGA焊点的中心距一般为0.5～1.27mm，可以利用现有的SMT工艺设备安装，而QFP的引脚中心距如果小到0.3mm，引脚间距只有0.15mm，那么需要非常精密的安装设备以及完全不同的焊接工艺，实现起来极为困难；明显改善共面问题，极大地减少了共面损伤；BGA引脚牢固，而QFP存在引脚变形问题。
（3）在封装效率方面：提高了元器件引脚端数和本体尺寸的比率，如边长为31mm的BGA，间距为1.5mm时有400个引脚，间距为1mm时有900个引脚；相比之下，边长为32mm，引脚间距为0.5mm的QFP，只有208个引脚。
（4）在电性能方面：BGA引脚短，信号路径短，减少了引线电感和电容，增强了节点性能。
（5）在热性能方面：球形触点阵列有助于散热。